淺談電子產品的溫度測量機理與方法

淺談電子產品的溫度測量機理與方法

     世界在電子產品設計定型時，為防止表面溫度過高傷害用戶或由于溫度超出材料件所能承受的限值而導致著火、絕緣失效和觸電危險，需要分別在正常工作狀態和模擬故障狀態下對設備各個部分的溫度進行測試，目前一般采用熱電偶測量或外加紅外測溫監控的方式進行。

       熱電偶通過把非電學量(溫度)轉化成電學量(電動勢)來測量，這種方法有許多優點，如測溫范圍寬、靈敏度和準確度較高、結構簡單不易損壞、受熱點可做得很小等，因其對溫度變化響應快，對測量對象的狀態影響小，可以用于溫度場的實時測量和監控。熱電偶的溫差電動勢雖然主要取決于所選用的材料和兩個接頭的溫度，但材料中所含的雜質和加工工藝過程也會對它產生一定的影響，所以，盡管是由相同材料組成的熱電偶，它們的溫差電動勢與溫度的關系卻可能不完全相同。對于每一支熱電偶的選擇要根據使用溫度范圍、所需精度、使用環境、響應時間和經濟效益來綜合考慮。溫度在1000~1300℃并且精度要求比較高的，可用S型熱電偶和N型熱電偶；1000℃以下一般用K型熱電偶和N型熱電偶；低于400℃一般用E型熱電偶；250℃以下和負溫測量一般用T型 電偶，在低溫時穩定而且精度高；S型、B型、K型熱電偶適合于強的氧化和弱的還原氣氛中使用；J型和T型熱電偶適合于弱氧化和還原氣氛，有化學污染的環境要求有保護管；鎧裝熱電偶響應時間快，而且有一定的耐久性。
       焊好的熱電偶都應先進行分度，即測定出溫差電動勢與溫度間的確定關系，然后才能用它來測量溫度。采用補償導線用它們連接熱電偶與測量裝置，以補償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產生的誤差。合金絲是構成補償導線的導體，可分為兩種：延長型合金絲的名義化學成分及熱電勢標稱值與配用熱電偶絲相同，用字母“X”附加在熱電偶分度號之后表示；補償型合金絲的名義化學成分與配用熱電偶絲不同，但其熱電勢值在0~100℃或0~200℃時，與配用熱電偶絲標稱值相同，用字母“C”附加在熱電偶分度號之后表示。在使用之前，應將熱電偶的內部絕緣體從頂端向后剝露約1.5mm，外部絕緣體則從頂端向后剝約15mm，頂端用單點焊接來連接后與要測處相連。為了達到與被測點同樣的溫度，接點要與被測部件的表面緊密接觸。現在一般通過膠合、焊接等方法固定，膠合法將高齡粉和硅酸鈉溶液以同等比例相混合，再與氰丙烯酸酯膠合。在膠合前應固定熱電偶的位置，對于焊接劑易于黏附的金屬表面，采用焊接法在熱傳導性方面優于膠合法。
       接下來談談紅外測溫技術。高溫區是位于光帶最邊緣處紅光的外面，稱為“熱線”或者紅外線，紅外線的波長在0.76_100μm之間，按波長的范圍可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外4類，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。紅外測溫儀是通過接收物體發出的紅外線(紅外輻射)，從而準確判斷物體表面的溫度分布情況。和接觸式測溫方法相比，紅外測溫有非接觸、響應時間快、使用安全及使用壽命長等優點。紅外測溫儀器主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視和紅外測溫儀(包括便攜式、在線式和掃描式)。紅外熱像儀是利用紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描系統，接受被測目標的紅外輻射能量，并反映到紅外探測器的光敏元件上。
       紅外熱電視是將被測目標的紅外輻射線通過透鏡聚焦成像到熱釋電攝像管，熱釋電攝像管是一種具有中等分辨率的實時寬譜成像器件，主要由透鏡、靶面和電子槍三部分組成。通過熱釋電攝像管接受被測目標物體的表面紅外輻射，并把目標內熱輻射分布的不可見熱圖像轉變成視頻信號。
       常用的便攜紅外測溫儀是由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理顯示輸出等部分組成，光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變為相應的電信號。該信號再經換算轉變為被測目標的溫度值，其測量精度可達1度或更高。我們要根據被測設備尺寸和環境條件從測溫范圍、測量精度、工作波長、響應時間、光學分辨率、顯示和輸出、價格等方面來選用便攜紅外測溫儀。測溫范圍是最重要的一個性能指標，不同型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍，一般來說，測溫范圍越窄監控溫度的輸出信號分辨率越高，測溫范圍過寬會降低測量精度。如果被測設備尺寸超過視場大小的50%，測溫儀就不會受到測量區域外面的背景影響造成誤差，可以選擇單色測溫儀；反之，如目標尺寸小于視場，雙色測溫儀是最佳選擇，其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。因此當被測目標很小，即使測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量有衰減時，仍能保證測量精度。由于設備組成材料的發射率和表面特性不同，測溫儀的光譜相應波長也不同，如測量高溫金屬材料的最佳波長是近紅外，可選用0.8~1.0mm，測溫時應盡量選用短波。在測量快速加熱的目標時，要選用快速響應紅外測溫儀，否則缺乏足夠的信號響應，會降低測量精度。而對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應時間就可以放寬要求了。需要強調的是紅外測溫儀必須經過校準才能使它正確地顯示出被測目標的溫度，特別是要進行定期檢定，試驗人員在實際運用過程中也要不斷積累經驗和掌握測試技巧，避免讀數偏差而得出錯誤結果。